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[工学]单片机原理及接口技术A第1章
所谓单片机(Single Chip Microcomputer),是指在一块芯片中,集成有中央处理器(CPU)、存储器(RAM和ROM)、基本I/O端口以及定时器/计数器等部件并具有独立指令系统的智能器件,即在一块芯片上实现一台微型计算机的基本功能,其基本结构如图1.1所示。 单片机具有结构简单、控制功能强、可靠性高、性能价格比高、易于推广应用等显著优点。这些优点使得其应用领域越来越广泛,在通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等领域都有它的身影。然而单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益,更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想,是控制技术的一次革命,是一座重要的里程碑。 1.1.1 单片机及其发展 单片机全称为单片微型计算机(Single Chip Microcomputer),简称SCM,又称微控制器(Microcontroller Uint,MCU)或嵌入式控制器(Embedded Controller)。在单片机诞生时,SCM是一个准确的称谓。单片机是相对于单板机而言的,是指将CPU、并行I/O接口、定时/计数器、RAM、ROM等功能部件集成在一块芯片上的计算机。随着SCM在技术上、体系结构上不断扩展,所集成的部件越来越多,能完成的控制功能越来越丰富,单片机的意义只是在于单片集成电路,而不在于其功能了。国际上逐渐采用“MCU”来代替单片机这一称谓,形成了业界公认的、最终统一的名词。 单片机技术的发展是与微电子技术和半导体技术的发展分不开的,具体分为五个阶段。 第一阶段(1971~1976年):初步阶段。这一阶段,4位逻辑控制器件发展到8位,它们只含有微处理器,并配有RAM、ROM等,虽然还不能称之为单片机,但是已形成了单片机的雏形;使用NMOS工艺(速度低、功耗大、集成度低);集成度为每芯片晶体管数约千个。代表产品有Intel 4004、Intel 8008等。 第二阶段(1976~1980年):低性能阶段。这一阶段,在一块芯片上完成了8位CPU、并行I/O接口、定时/计数器、RAM、ROM等的集成,成为了名副其实的单片机;采用CMOS工艺,并逐渐被高速低功耗的HMOS工艺代替;集成度为每芯片晶体管数约数千个。代表产品有MC6800、Intel 8048等。 第三阶段(1980~1983年):高性能阶段。这一阶段,在原来单片机的基础上,增加了多级中断系统、串口、A/D转换接口等功能模块,并提高了存储器的容量,其执行速度有所提高;集成度为每芯片晶体管数约数万个。代表产品有Intel 8051、MC146805等。 第四阶段(1983~1990年):16位机阶段。这一阶段,CPU为16位,运算能力更强;片内RAM、ROM容量进一步增大;中断系统更为复杂;带有多路A/D转换和高速输入/输出部件等功能接口;集成度为每芯片晶体管数约数十万个。代表产品有Intel 8098等。 第五阶段(1990年至今):新一代单片机阶段。这一阶段,单片机在结构、集成度、速度、功能、可靠性等性能指标上有了很大的变化;向多样化、高速度、高集成度、低功耗、低噪声与高可靠性技术、新技术等方向发展,出现了多CPU结构或内部流水线结构等技术,使单片机在实时数据处理、机器人、数字信号处理和复杂的工业控制等方面得到了更广泛的应用;集成度为每芯片晶体管数约数百万个。代表产品有C8051F040、MSP430等。 1.1.2 单片机的发展趋势 可以说,目前是单片机产品百花齐放、百家争鸣的时期。世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,有上百个系列、千余种之多,从8位、16位到32位,数不胜数,应有尽有,有的与主流C51系列兼容,也有的与之不兼容,但它们各具特色,互为互补,为单片机的应用提供了广阔的天地。随着微电子技术和半导体技术的发展,单片机技术的发展大致有以下趋势。 1. 低功耗 MCS-51系列的8031推出时的功耗达630 mW,而目前的单片机随着制造工艺、工作频率、工作电压等方面的改变,其功耗越来越低。NMOS工艺单片机逐渐被CMOS工艺单片机所代替,功耗得以大幅度下降。随着超大规模集成电路技术的发展,由3 μm工艺发展到1.5 μm、1.2 μm、0.8 μm、0.5 μm、0.35 μm,进而实现了0.2 μm工艺,还使得功耗不断下降。允许使用的电源电压范围也越来越宽,一般单片机都能在3~6 V范围内工作,对电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。 低电压供电的单片机电源下限已由2.7 V降至2.2 V、1.8 V。0.9 V供电的单片机已经问世。同样的工作速度条件下,需要的时钟频率大大降低,从而也大大降低了单片机的功耗。几乎所有的单片机都
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